周宗昊，常紅梅

（陜西理工大學機械工程院，陜西 漢中723000）

基于電波原理的新型汽車測速系統(tǒng)

周宗昊，常紅梅

（陜西理工大學機械工程院，陜西 漢中723000）

絕大多數(shù)汽車所采用的車速表為磁電式車速表，該車速表的數(shù)據(jù)，來源于變速器輸出軸或汽車車軸的轉(zhuǎn)速，而不是理論上最直觀的位移/時間，當出現(xiàn)車輪非正常純滾動或車速表自身結(jié)構(gòu)故障時，無法做到準確的測速。本文展現(xiàn)了一種全新測速系統(tǒng)，通過位移/時間的方法，直觀準確地測出行駛車輛的速度。研究過程以電波測距為依據(jù)，利用安放在行駛車輛上不同位置電波的測距時間差對車速進行求解，并對系統(tǒng)的主體部分做了詳細描述和分析。針對一些可能存在的問題對系統(tǒng)做了改良。分析了該新型測速系統(tǒng)的優(yōu)缺點，并對本文的研究工作進行了總結(jié)。

測速系統(tǒng)；電波測距；時間差；電波測速系統(tǒng)

汽車在行駛過程中，車速作為一項重要指標，即影響著運輸生產(chǎn)率，又影響著行駛安全，還影響著汽車行駛是否違章超速。駕駛員如何準確掌握行車車速，顯得十分重要。通常，駕駛員會通過兩種方法獲知當前行車車速：一是依據(jù)主觀判斷，但是這種方法誤差較大，容易造成安全隱患；二是直接從車速表上讀取車速，這就要求汽車車速表具有一定的精度［1］。

傳統(tǒng)磁電式車速表由變速箱第二軸帶動車速表上的軟軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動軟軸另一端的永久磁鐵轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場作用于托盤，托盤連同車速表一塊偏轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)測速原理。這類車速表簡單實用，被廣泛用于各種類型汽車上。但是此類車速表測得的車速有一定誤差：（1）結(jié)構(gòu)上的誤差：低速時指針擺動劇烈、精度不高、對發(fā)動機后置車輛設(shè)置軟軸過長，而這種長長的轉(zhuǎn)動軟軸設(shè)置從結(jié)構(gòu)上來說肯定是一種不利因素；（2）輪胎半徑的變化：輪胎的不同磨損程度以及在不同路面上行駛時所導致的輪胎滾動半徑不一樣，直接導致計算車速時結(jié)果失真；（3）當汽車輪胎處于非純滾動時，誤差也是非常大［2］。

本文介紹的方法即不通過各傳動軸或車輪來檢測車速，又不用通過衛(wèi)星來檢測車速，而是利用電波測距的原理，將電波發(fā)射器和感應(yīng)器安裝到汽車車身上（縱向安裝即可［3］），首先汽車靜止時測得發(fā)射器發(fā)出的電波到感應(yīng)器接收到的電波的時間t1，然后當汽車運動時，再測得射器發(fā)出的電波到感應(yīng)器接收到的電波的時間t2，通過兩個時間差來推倒出汽車車速。因為此方法所測得的數(shù)據(jù)是通過位移/時間計算出的，所以車速更精確，更可靠。

1　測速電波的選用

1.1常見四類汽車測速電波的特性

目前，汽車測距電波，主要包括激光、超聲波、微波紅外線4種［4］，它們的特性見表1。

表1　常見電波的優(yōu)缺點和在汽車上的主要用途

1.2選擇原則

（1）精度選擇

精度的選擇是影響汽車測速的主要因素，在選用時對每種方法進行對比，可排除超聲波，因其精度較低，無法滿足所需精度。

（2）可靠性選擇

在滿足精度的情況下，可靠性的也是影響汽車測速的重要因素之一，所以可以增加保護設(shè)備，工作條件變好，受外界影響降低。

根據(jù)以上分析，確定使用激光進行行駛汽車測速。

2　電波測速工作原理

本文的目的在于提供一種新型汽車測速方法，既不通過各傳動軸或車輪來檢測車速，又不用通過衛(wèi)星來檢測車速，而是利用電波測距的原理，如圖1所示，將電波發(fā)射器和感應(yīng)器安裝到汽車車身上（縱向安裝即可），首先汽車靜止時測得發(fā)射器發(fā)出的電波到感應(yīng)器接收到的電波的時間t1，然后當汽車運動時，再測得射器發(fā)出的電波到感應(yīng)器接收到的電波的時間t2，通過兩個時間差來推倒出汽車車速。如圖1所示，是一輛汽車的俯視圖，在汽車縱向一條直線上的前后兩點A和B分別安裝了一個電波發(fā)射器和一個電波接收器（安裝時只要有一定的縱向距離，即可安裝），l為點A和B點之間的距離。當汽車車靜止時，車速為0，安裝在A點的發(fā)射器發(fā)出脈沖電波（電波以速度Ve），位于B點的接收器接收到此電波，歷時t1秒。汽車以的車Va速前行，如圖2所示，A點的發(fā)射器發(fā)出了電波，位于B點的接收器接收到此電波，汽車行駛了S米，A、B兩點分別移動到A'和B'點，這期間用時為t2.

圖1　汽車靜止時電波的發(fā)射

圖2　汽車運動時電波的發(fā)射示意圖

在t2時間段內(nèi)，汽車所行駛的距離S米

由（1）、（2）兩式，計算車速Va

測速ECU再將此車速反映到儀表盤上

3　系統(tǒng)總體設(shè)計

（1）系統(tǒng)組成

汽車電測速這一整套系統(tǒng)由蓄電池、發(fā)電機、發(fā)射器、接收器、測速ECU和儀表盤共同構(gòu)成。在系統(tǒng)用電上，蓄電池在發(fā)電機不工作時支持整個系統(tǒng)用電，當發(fā)電機工作時由發(fā)電機支持整個系統(tǒng)用電。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3　測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由上圖3可以看出，當汽車行駛時，把電波經(jīng)發(fā)射器到接收器所用的時間作為參數(shù)，傳遞到改為系統(tǒng)存儲器中，速度控制器按照測速原理出車速。上文提到，電波傳遞速度很快，所以整個流程用時很多，周期很短，如果頻率很高所得到的車速具有即時性，這也滿足了測量車速的要求。

在測速整個過程中，其他數(shù)據(jù)都可以通過系統(tǒng)計算出來或者已經(jīng)給定，而電波速度Ve卻是個變量，因為汽車在不同的環(huán)境中行駛時，電波的傳播速度也不同，故測速ECU還有個任務(wù)，就是當汽車靜止時，及時讀取Ve的大小，當汽車啟動時，用最新的Ve計算車速。

（2）安裝位置

在不影響汽車正常性能的前提下，縱向安裝在汽車合適位置，最好安置在車身蒙皮的夾層里。如圖4所示。

圖4　測速裝置安放位置

根據(jù)圖4所示，將測速裝置安置在車身蒙皮的夾層里。這樣有兩點好處：（1）縱向安裝的要求；（2）方便檢查和維修。

4　汽車電波測速系統(tǒng)存在問題及其改良方案

電磁波測距在實際測量工作中不可避免會產(chǎn)生誤差，在眾多誤差源中，大氣介質(zhì)所產(chǎn)生的誤差是一項最主要因素，這主要體現(xiàn)在折射率對電波的傳播速度的影響。根據(jù)誤差傳播定理［5］，可得到下式

式中，mn為誤差影響因子，mt、mp、me分別為大氣溫度、氣壓和濕度對折射率的影響因子。

由此可見，溫度影響最大，氣壓影響最小。

為了能夠減少誤差，可以做如下設(shè)計，見圖5.

圖5　系統(tǒng)改方案效果圖系統(tǒng)改方案效果圖

上圖所示，在發(fā)射器和接收器外套了一個密封套筒。套筒設(shè)計要求如下：

（1）有一定的保溫性能，這樣可以最大化減少因為溫度變化對測量結(jié)果的影響。

（2）可以屏蔽電波（避免電波接觸到筒壁后不斷反射，對下一周期測量結(jié)果產(chǎn)生干擾），目前屏蔽電磁波材料包括金屬良導體材料、表面敷層薄膜屏蔽材料、填充復(fù)合型屏蔽材料等［6］。

（3）可保持管內(nèi)空氣濕度和氣壓，最大化地減少空氣濕度和氣壓對測量結(jié)果的影響。

5　結(jié)束語

目前，本系統(tǒng)僅處于理論研究階段，至于進一步的數(shù)據(jù)分析、精度驗證和測量效果問題，需要通過后期的測試實驗階段完成。本文展現(xiàn)了一種全新測速系統(tǒng)，并通過理論分析和公式推論尋求了這套測速系統(tǒng)的理論可能性，還針對這個系統(tǒng)做了優(yōu)化和改良，此測速系統(tǒng)相比現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)，具有以下優(yōu)點：

（1）由于電波是以輻射源為中心向四周發(fā)散的，而不是單線路或一個平面發(fā)散，所以在汽車上下坡以及轉(zhuǎn)彎時此方法測速同樣適用。

（2）結(jié)構(gòu)簡單：只需要電波發(fā)射器、電波接收器、計時器和控制單元構(gòu)成，清晰明了。

（3）原理清晰：該系統(tǒng)原理清晰易懂，簡單明了，利用電波對行駛中汽車進行一段長度的測距所用的時間，再對比靜止時測量同樣長度所用的時間，進行速度的推算，最終，依靠顯示系統(tǒng)將車速數(shù)據(jù)顯示在儀表盤上。故理論原理十分簡單，方便系統(tǒng)的調(diào)整和檢修。

（4）誤差源少：誤差主要來源于空氣介質(zhì)的不同，相應(yīng)的也有改善方式，故只有結(jié)構(gòu)精度高，整個系統(tǒng)精度才會很高。

（5）容易推廣：該發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，在常規(guī)設(shè)計完成之后，就可以輕易的制造出產(chǎn)品，利用其可靠的性能和低廉的價格，針對我國目前處于經(jīng)濟發(fā)展期的狀態(tài)以及對科技創(chuàng)新的支持和鼓勵，可以很快的推廣并使用。

相應(yīng)的本系統(tǒng)的自身結(jié)構(gòu)和目前的工作進程，還具有以下缺點

（1）精度要求高：由于測速時間周期很短，故對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的精度要求很高。

（2）具有一定的地域性和時域性：在不同空氣密度的空間和同一空間下不同溫度的環(huán)境中，波的傳播速度都會不同，這就要求系統(tǒng)需要通過自身的調(diào)整后才能進行測速工作，這無疑增加了系統(tǒng)工作量。

（3）缺少實驗數(shù)據(jù)：由于本系統(tǒng)的工作進程僅存在于理論階段，故缺少實驗數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行改良指導。

［1］馮文彩，付敬業(yè)，管敘山.汽車車速表檢測與故障調(diào)整［J］. 2005，192（8）：58-59.

［2］張擁軍.動磁式車速里程表的研制及其應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2004，4（1）：49-50.

［3］張娟娟.電磁波測距儀在建筑測量中的應(yīng)用［J］.福建建設(shè)科技，2013，（05）：70-71.

［4］宋彩霞，王波濤.車輛測距方法［J］.電子測量與儀器學報，2009，增刊：176-180.

［5］張瑜，郝文輝.大氣介質(zhì)對電磁波測距精度的影響［J］.河南師范大小物理與信息工程學院，2006，21（4）：632-634 ［6］丁世敬，趙躍智，葛德彪.電磁屏蔽材料研究進展［J］.材料導報，2008，20（6）：4.

Based on the Principle of Waves is New Type of Car Speed Measuring System

ZHOU Zong-hao，CHANG Hong-mei
（School of Mechanical Engineering，Shaanxi Sci-Tech University，Hanzhong 723000，China）

Now most cars speed table for the magnetoelectric speed table，the data from the transmission output shaft of the speed table or car axle rotational speed，the most intuitionistic displacement/time rather than theory，when appear abnormal pure rolling wheels or speed table structure itself fails，it can't accurate speed.This paper shows a new velocity measuring system，by using the method of displacement/time，intuitive and accurately measure the speed of the vehicle.Based on radio range，the use of vehicle，mounted on different positions of the waves of ranging time to solve the speed，and has made the detailed description of the main part of the system and analyzed. There may be some problems for system improvement.Analyzes the advantages and disadvantages of the new speed measuring system，and the research work is summarized in this paper.

speed measuring system；radio range；time lag；wave velocity measuring system

U279

A

1672-545X（2016）07-0177-03

2016-04-28

陜西省教育廳重點實驗室計劃項目（09JS045）

周宗昊（1992-），男，甘肅天水人，在讀碩士，車輛工程專業(yè)；常紅梅（1970-），女，陜西耀州人，副教授，主要從事汽車結(jié)構(gòu)及其電子控制技術(shù)方面的教學與研究。